CN114827223B - 一种智能管线远程设备的控制系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种智能管线远程设备的控制系统及其操作方法，其中该控制系统包含一种数据采集器，该数据采集器包括通讯单元、电源模块、数据通信接口单元，其中通讯单元包括远程无线通信模块，所述远程无线通信模块包括远程通讯接口单元；所述数据通信接口单元包括MBUS‑Host接口和/或RS485‑Host接口；并且所述数据采集器可以通过所述数据通信接口单元连接多个待监控设备并采集所述待监控设备的数据，所述远程通信接口单元可以将采集的数据无线发送出去，并且其中所述数据采集器可以与另一个所述数据采集器之间建立主从连接。

Description

一种智能管线远程设备的控制系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种智能管线远程设备的控制系统及其操作方法，特别是包含一种数据采集器的控制系统及其操作方法。

背景技术

城市综合管网是当代城市建设的重要组成部分，加强城市地上地下管网的智能化管理水平是城市现代化的重要标志。在现代化的城市中，综合管网包括给排水、热力、燃气、供电、通讯等多种管线，如何规范、高效、安全地监测和控制这些管线，是保障整个城市安全、顺利发展的重要基石。随着城市化的快速发展，综合管线的设计、施工、维护都显著落后，这些都导致近年来与管线相关的漏水、热力泄露、燃气泄漏爆炸等事故频发，从城市管理层到普通民众都迫切要求提升城市综合管网的管理水平。

城市和特殊管线中有多种需要远程监控的设备，阀门是其中常见的一种。阀门是城市和特殊管线中流体输送系统中不可或缺的控制部件，具有截止、稳压、止逆、调节、分流、泄压等各项功能，在整个系统中有着至关重要的作用。在管网的日常维护，特别是险情出现时，如何准确、有效、较快地监测和控制阀门是城市管网管理水平的重要体现。在阀门的远程监控中，需要在某个节点发生泄露时，可以及时关闭多个阀门或者其它远程设备。但是在现代城市管线建设中，为满足不同层次的各种特殊需要，往往管线设计的较为复杂，而相应的阀门和远程设备配置也很复杂，需要进行监控的设备也很多。

如何更科学、合理、有效又经济地对远程设备进行监控，是业内一直追求的目标，也是目前尚难以完全解决的问题。为应对日益复杂和紧迫的城市和特殊管网中大量远程设备监控的需求，迫切需要提供一种能够根据具体实际情况进行管理和监控的系统解决方案。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种数据采集器，包括通讯单元、电源模块、数据通信接口单元，其中

通讯单元包括远程无线通信模块，所述远程无线通信模块包括远程通讯接口单元；

所述数据通信接口单元包括MBUS-Host接口和/或RS485-Host接口；并且所述数据采集器可以通过所述数据通信接口单元连接多个待监控设备并采集所述待监控设备的数据，所述远程通信接口单元可以将采集的数据无线发送出去。

根据本发明的又一个方面，提供的数据采集器，包括通讯单元、电源模块、数据通信接口单元，其中

通讯单元包括远程无线通信模块，所述远程无线通信模块包括远程通讯接口单元；

所述数据通信接口单元包括MBUS-Host接口和/或RS485-Host接口；并且所述数据采集器可以通过所述数据通信接口单元连接多个待监控设备并采集所述待监控设备的数据，所述远程通信接口单元可以将采集的数据无线发送出去，

其中所述数据采集器，作为第一个数据采集器，可以与第二个所述数据采集器之间建立主从连接。

根据本发明的又一个方面，提供的数据采集器，其中所述两个数据采集器具有相同的MBUS-Host接口和/或RS485-Host接口。

根据本发明的又一个方面，提供的数据采集器，其中当所述数据采集器具有MBUS-Host接口时，其所述数据通信接口单元还包括MBUS-Slave接口，通过所述MBUS-Slave接口可以连接第二个所述数据采集器的MBUS-Host接口，从而在数据采集器之间建立主从连接。

根据本发明的又一个方面，提供的数据采集器，其中当所述数据采集器具有RS485-Host接口时，其所述数据通信接口单元还包括RS485-Slave接口，通过RS485-Slave接口可以连接第二个所述数据采集器的RS485-Host接口，从而在数据采集器之间建立主从连接。

根据本发明的又一个方面，提供的数据采集器，其中所述远程无线通信模块包括4G LTE Cat1模块和SIM卡口。

根据本发明的又一个方面，提供的数据采集器，其中数据采集器可以通过RS485-Host接口进行远程配置。

根据本发明的又一个方面，提供的数据采集器，其中所述电源模块可以为所述数据通信接口单元驱动提供隔离升压。

根据本发明的又一个方面，提供的数据采集器，其中所述数据通信接口单元还包括USB接口。

根据本发明的又一个方面，提供的数据采集器，其中所述电源模块可以提供分级电源DC3.6V-DC36V。

根据本发明的一个方面，提供了一种管网远程控制系统，包括中央控制系统、所述的数据采集器、远程待监控设备，其中

所述数据采集器与所述中央控制系统之间通过无线通讯或者无线网络连接，本发明所述的数据采集器，和远程待监控设备之间通讯连接；

所述数据采集器可以向所述远程待监控设备发出请求指令；

所述远程待监控设备可以按照所述请求指令，向所述数据采集器发送回复指令信息；和

所述数据采集器可以将所述回复指令信息发送给所述中央控制系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种管网远程控制系统，当系统具有所述的第二个数据采集器时，所述第二个数据采集器的MBUS-Host接口和RS485-Host接口也可以连接多个待监控设备，此时所述第二个数据采集器通过其所述通讯单元与所述中央控制系统之间通讯连接，而第一个数据采集器并不与所述中央控制系统之间直接通讯连接。

根据本发明的又一个方面，提供了一种管网远程控制方法，其涉及中央控制系统、本发明所述的数据采集器、远程待监控设备，其中

所述数据采集器与所述中央控制系统之间通过无线通讯或者无线网络连接，数据采集器和远程待监控设备之间通讯连接，所述方法包括如下步骤：

所述数据采集器向所述远程待监控设备发出请求指令；

所述远程待监控设备按照所述请求指令，向所述数据采集器发送回复指令信息；和

所述数据采集器可以将所述回复指令信息发送给所述中央控制系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种管网远程控制方法，当系统具有所述的第二个数据采集器时，所述第二个数据采集器的MBUS-Host接口和RS485-Host接口也可以连接多个待监控设备，此时所述第二个数据采集器通过其所述通讯单元与所述中央控制系统之间通讯连接，而第一个数据采集器并不与所述中央控制系统直接通讯连接，而是通过第二个数据采集器与所述中央控制系统通讯连接。

本发明的这些和其它方面将从参考下文所描述的实施例变得明显并且得到阐释。

附图说明

图1是一种根据本发明的数据采集器示意图。

图2表示了一种根据本发明的数据采集器与远程通信设备连接示意图。

图3表示了一种根据本发明的两个数据采集器主从连接，并与远程通信设备连接的示意图。

图4表示了另一种根据本发明的两个数据采集器主从连接，并与远程通信设备连接的示意图。

具体实施方式

本发明的管网远程控制系统，包括中央控制系统、数据采集器、远程待监控设备，其中所述数据采集器与所述中央控制系统之间通过无线通讯或者无线网络连接，数据采集器和远程待监控设备之间通讯连接。

所述中央控制系统可以包括多种功能单元，例如存储单元、处理单元、通讯单元等等。中央控制系统一般还包括输入单元，例如键盘、鼠标、触摸屏、声音输入设备，以及输出单元，例如显示屏、声音输出设备、报警灯等。中央控制系统可以建立在服务器平台上，存储单元可以是硬盘存储器或者云存储。在远程设备的控制系统中，通讯单元是重要的组成部分。中央控制系统具有通讯单元，其一般通过无线方式与远程设备通讯连接，例如通过Internet或局域网，2G，3G，4G，5G等无线通讯方式连接，其中优选4G LTE，更优选4G LTECat.1、eMTC（Cat.M1）和NB-IoT(Cat.NB-1)，最优选4G LTE Cat.1，例如可以选用上海合宙通信科技有限公司的Air724UG LTE模块。

本发明中，远程设备可以分为数据采集器和待监控设备。数据采集器具有通讯单元，其包括远程无线通信模块，可以与中央控制系统通讯连接，优选通过无线方式。通过通讯单元，数据采集器可以接收中央控制系统的指令，以及发送收集的远程设备信息，包括设备状态和操作反馈信息等，给中央控制系统，即上行通讯。如图1，数据采集器的通讯单元还可以包括天线、SIM卡口和USB接口。SIM卡口可以采用中直插拔式。天线可以采用外置天线。远程无线通信模块可以采用全网通无线模组，可进行线下或线上配置，例如通过USB接口配置。待监控设备优选是阀门。

数据采集器还包括数据通信接口单元，例如MBUS接口和RS485接口。MBUS-Host接口一般为指令下行接口，两线制，不分正负极，是CJ/T188-2004接口，用于通讯连接多个待监控设备。MBUS-Slave接口一般为上行接口，两线制，不分正负极，是CJ/T188-2004接口。而RS485接口是四线制，分正负，通过正负电压确定信号。接口1路相当于Host接口（即下行接口）；级联1路相当于Slave接口（即上行接口）。RS485-Host接口与RS485-Slave级联口连接RS485通信方式设备。MBUS-Host驱动模块、MBUS -Slave转换模块、RS485转换模块分别连接MBUS-Host接口、MBUS -Slave接口、RS485接口，以及4G无线通信模块，并在与4G无线通信模块之前进行数字隔离处理。例如在MBus驱动模块和转换模块与4G无线通信模块之间安排数字隔离，以去除干扰。4G无线通信模块做为采集器处理中心，连接各通信接口、指示灯组，并预留SIM卡接口、外置天线接口和USB接口。最终实现宽电压、低功耗工作，MBUS主从机、RS485主从机、USB、无线等多种数据通信，同时本地有线配置采集器、远程无线配置采集器。根据本发明特点，MBus接口和RS485接口可以选用半双工模式。

如图2，数据采集器通过MBus-Host和RS485-Host接口与多个待检测设备，即通信设备，通迅连接，可以是无线或有线，采集到的设备信息通过天线远程发送给中央控制系统。数据采集器与中央控制系统（例如通信服务器）之间利用4G网络，以TCP协议建立连接。数据采集作为主设备与设备连接时，可以通过MBUS-Host接口或RS485-Host接口连接对应通信方式的终端设备，数据采集器作为从设备与数据采集器主设备连接时，4G无线功能不工作，作为从设备工作时起到级联扩展采集数量的功能。MBUS通信方式使用MBUS通信协议，RS485通信方式使用MBUS通信协议或RS485通信协议。

数据采集器还包括电源模块，其可以提供分级电源DC3.6V-DC36V。电源部分由电源接口引入，并做好反击限流保护，分级电源3.6V、5.0V和33V，33V主要提供采集器作为主机时MBUS-Host接口通信时升压功能，3.6V和5.0V为二级电源。数据采集器接入DC3.6V-DC36电源后，主要通过选用低功耗元器件和程序调控进行采集器低功耗。采集器非通讯状态自身静态功耗控制在20mA以里，为保证高通信频率低用电率，程序调控为主要手段，4G无线通信模块只有在通信时最高50mA，但可以在不通信时让4G无线模块短暂休眠，以达到降低功耗。

数据采集器接入电源方式以DC24V标准电压为主，通常是使用开关电源接AC220V变DC24V，但通常考虑到使用环境的特殊性，还可以使用太阳能供电方式、电池供电方式等方式对数据采集器进行供电，这时就需要考虑到电池电压的不稳定性，即电池电压随着使用量的增加需逐渐变低情况，这时本发明数据采集器的宽电压使用就起到了作用，保证了采集器在各种复杂情况下正常工作。例如，接入的宽电压范围为DC3V-DC36V，优选DC5V-DC30V，更优选DC9V-DC24V。

如图3，Mbus-Slave接口主要是采集器作为从机时使用，即第一个采集器的Mbus-Slave接口与第二个采集器的Mbus-Host接口连接，则两个采集器的Host接口都可以连接多个待检测设备（通信设备），但第一个数据采集器不再与中央控制系统直接通讯（此时无线功能不工作），而是通过作为主设备的第二个数据采集器进行，这样的主从连接可以方便地扩展连接待检测设备的数量，例如可以扩展至100个。图4表示了另一种利用RS485-Slave接口与另一台数据采集器的RS485-Host接口相连，进行连接设备扩展的方式。根据相同的方式，可以继续主从连接更多的数据采集器。这样的连接方式，可以减少SIM卡，节省通讯费用；并可以提高有线传输距离，两个采集器距离可达2km，第三个与主采集器距离可达4km，以此类推。

远程待监控设备可以有线或者无线地与数据采集器通讯连接。考虑到远程待监控设备和数据采集器通讯一般在地理位置上靠近，优选两者之间有线连接，更优选的，数据采集器与远程待监控设备的连接可以采用M-Bus或者RS485的总线形式。数据采集器可以发送请求指令给待监控设备，待监控设备将采集到的设备的信息发送给数据采集器，由数据采集器上传信息给中央控制系统，数据采集器和待监控设备相对中央控制系统的都是远程设备。优选地，一个数据采集器对应多个待监控设备，这些子系统对应的远程设备组成一个设备分组。在这个设备分组中，只有该数据采集器具有与中央控制系统通讯的功能单元，例如无线通讯单元。数据采集器可以向分组内的各个远程待监控设备发出请求指令。各个远程待监控设备会根据请求，收集各自监控的远程设备的信息，传送给该数据采集器。所述数据采集器可以将收集到的分组内的信息发送给所述中央控制系统。这样的通讯连接方式可以更经济、抗干扰能力也更强。优选地，一个设备分组中可以具有多个数据采集器，相互之间采用主从连接，在这个设备分组中，有多个远程待监控设备和多个数据采集器，只有作为主设备的数据采集器具有与中央控制系统通讯的通讯单元。考虑地理位置上的接近，这样的多个数据采集器可以互为备份，减少某个设备接口出现问题而整个分组不能通讯的问题。

这样的信息收集可以是定时的，例如每秒、每分钟、每小时、每天进行，优选每1秒，2秒，3秒，4秒，5秒，6秒，7秒，8秒，9秒，10秒，15秒，20秒，30秒进行一次信息收集；也可以是根据中央控制系统的指令，该指令会先发送给所述数据采集器，然后由所述数据采集器发送给分组内的各个远程待监控设备。

在一个具体实施方式中，数据采集器硬件上可以是采用MBUS-4G的数据采集器。其采集器电路板主要有电源接口、一路MBUS主机数据通信接口、一路MBUS从机数据通信接口、两路RS485数据通信接口、SIM卡接口（优选中直插拔式）、USB数据接口，预留网口等。电源可采用宽电压电源（例如DC3.6V－DC36V）供电。根据功耗和带载数量可分为两个版本，管网用低功耗版本（带载数量小于50台MBUS设备）和高带载版本（带载数量大于200台MBUS设备）。4G模块采用国内全网通无线模组，可进行线下或线上配置。MBUS主机接口，接终端设备，可接收30台~300台的MBUS设备。MBUS从机接口为预留功能，即上行无4G无线通信模块时采用此MBUS从机接口进行数据设备扩展集联功能。RS485接口具有上下行通信功能，串口可进行有线设置。天线优选采用外置天线。

在软件内容上，采用设计开发有线或远程配置采集软件。本发明的数据采集器可以本地设置，或者远程配置。通过RS485-Host接口有线配置采集器或在中央控制系统的服务器远程配置采集器。也可以通过USB接口直接连接电脑设备，使用采集配置软件进行相关配置操作。在有线配置功能上，设置串口、读取采集器配置内容、进入配置状态、进入运行状态、重启采集器、写配置信息、恢复出厂状态、查看信号强度等。其中有线配置信息包括：通讯工作模式（透传）、A服务器IP和端口、B服务器IP和端口、服务器连接方式、心跳周期、心跳字节（单字节自定义，可以选择固定字节，也可以是00－FF递进字节）、采集器ID号、采集器SIM卡号、自动生成注册包、注册包可选择性添加前缀字节、注册类型、注册方式、MBUS上下行串口参数设置、RS485上下行串口参数设置、超时重启时间等等。在远程配置采集器时，可以配置有线配置以上所有信息内容。可以短信指令初始化采集器，初始化到公司指定IP或端口。根据具体使用情况，数据采集器在使用时可以采用基本配置内容还可以包括：IP地址、端口、注册包、心跳包、心跳周期、下行波特率、短连接超时时间、重连时间间隔、重连次数等信息。同时可以查询信号强度、IMEI、本机号码、版本号等数据，也可操作恢复出厂设置和重启设备等功能。

上述基本配置内容的一些定义如下。

IP地址：是采集器与中央控制系统之间的固定数据通路。

端口：是指定中央控制系统开放的端口。

注册包：新建连接时向中央控制系统（固定IP地址与端口）发送的连接请求。中央控制系统确定采集器发送的连接请求无误后，建立连接。

心跳包：建立连接后，为确保连接状态，数据采集器定时向中央控制系统发送心跳字节，周期内未收到心跳字节，即短连接超时。

心跳周期：心跳包与中央控制系统为保持连接状态，采集器按周期向中央控制系统发送心跳包。

短连接超时时间：心跳周期加上短连接超时时间内中央控制系统未接收到数据采集器发送来的心跳，即为短连接超时。

重连时间间隔：数据采集器与中央控制系统失去连接后重新连接之前需要等待的时间。

重连次数：重新连接失败后重复连接的次数，超过此次数后停止连接 。

下行波特率：设定MBUS和RS485通信波特率。

中央控制系统可以是服务器电脑设备，服务器一般会有一固定IP ,同时为采集器开放一固定端口，以便采集器与服务器之前相互通信。

整个数据采集器的壳体可以指定设计。显示部分的指示灯组，例如可以包括至少五个LED发光二级管，即电源、链接、数据接收、数据发送、故障。

本发明的数据采集器集合了MBUS主、MBUS从、RS485主、RS485从、USB、4G无线等多种通讯方式，采用了低功耗、抗干扰、宽输入电压和可提供多级电源的设计，同时可以远程进行配置，适合监控复杂管网中的远程设备，特别适合地处偏远、供电方式多样的实际情况。本发明的仪表与管网设备透传式4G采集器，包括硬件电路部分、电路板软件部分和上位机软件功能部分，可以提高产品性能，减少综合成本，提升整体性价比。

“多个”在本发明中，指至少两个。

尽管已经示出和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的全部范围和精神的情况下，可对本申请描述的部件、结构、方法、配合、步骤等进行修改(添加和/或去除)，本发明的范围和精神涵盖这样的修改以及其任何和全部等同方案。

Claims (5)

1.一种管网远程控制方法，其涉及一种管网远程控制系统，所述管网远程控制系统包括中央控制系统、数据采集器和多个待监控设备，其中，

所述数据采集器包括通讯单元、电源模块和数据通信接口单元，其中，

通讯单元包括远程无线通信模块，所述远程无线通信模块包括远程通讯接口单元；

所述数据通信接口单元包括MBUS-Host接口和/或RS485-Host接口；

所述数据采集器可以通过所述数据通信接口单元连接多个待监控设备并采集所述待监控设备的数据，所述远程通信接口单元可以将采集的数据无线发送出去，并且

其中所述数据采集器可以与第二个所述数据采集器之间建立主从连接；

所述数据采集器通过其所述通讯单元与所述中央控制系统之间连接，所述数据采集器通过其所述数据通信接口单元与所述待监控设备通讯连接；

所述数据采集器可以向所述待监控设备发出请求指令；

所述待监控设备可以按照所述请求指令，向所述数据采集器发送回复指令信息；和

所述数据采集器可以将所述回复指令信息发送给所述中央控制系统；

当所述管网远程控制系统具有所述的第二个数据采集器时，所述第二个数据采集器的MBUS-Host接口和/或RS485-Host接口也可以连接多个待监控设备，此时所述第二个数据采集器通过其所述通讯单元与所述中央控制系统之间通讯连接，而第一个数据采集器并不与所述中央控制系统直接通讯连接而是通过第二个数据采集器与所述中央控制系统通讯连接；

当所述数据采集器具有MBUS-Host接口时，其所述数据通信接口单元还包括MBUS-Slave接口，通过所述MBUS-Slave接口可以连接所述第二个数据采集器的MBUS-Host接口，从而在数据采集器之间建立主从连接，

所述方法包括如下步骤：

所述数据采集器向所述待监控设备发出请求指令；

所述待监控设备按照所述请求指令，向所述数据采集器发送回复指令信息；和

所述数据采集器将所述回复指令信息发送给所述中央控制系统。

2.如权利要求1所述的管网远程控制方法，其特征在于当所述数据采集器具有RS485-Host接口时，其所述数据通信接口单元还包括RS485-Slave接口，通过RS485-Slave接口可以连接所述第二个数据采集器的RS485-Host接口，从而在数据采集器之间建立主从连接。

3.如权利要求1所述的管网远程控制方法，其特征在于所述远程无线通信模块包括4GLTE Cat1模块和SIM卡口。

4.如权利要求1所述的管网远程控制方法，其特征在于所述数据通信接口单元还包括USB接口。

5.如权利要求1所述的管网远程控制方法，其特征在于所述电源模块可以提供分级电源DC3.6V-DC36V。